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Bakterielle Aufnahme, Selektivität und interne Prozessierung bei marinen Schwämmen (Porifera)

Bacterial uptake, selectivity and internal processing of marine sponges (Porifera)

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-21660
  • Marine Schwämme (Porifera) gelten als die evolutionär ältesten Metazoen. Sie sind in allen Meeren verbreitet und tragen einen großen Anteil zur Invertebraten-Fauna bei. Ihrer Lebens-weise als Filtrierer entsprechend pumpen Schwämme bis zu 23.000 l Seewasser Kg-1 Schwamm Tag-1. Das enthaltene Bakterioplankton wird mit hoher Effizienz ausgefiltert und dient als Nahrung. Gleichzeitig enthalten einige Schwammspezies eine sehr hohe Anzahl phylogenetisch diverser Bakterien extrazellulär in der Mesohylmatrix, die bis zu 40% der GesamtbiomasseMarine Schwämme (Porifera) gelten als die evolutionär ältesten Metazoen. Sie sind in allen Meeren verbreitet und tragen einen großen Anteil zur Invertebraten-Fauna bei. Ihrer Lebens-weise als Filtrierer entsprechend pumpen Schwämme bis zu 23.000 l Seewasser Kg-1 Schwamm Tag-1. Das enthaltene Bakterioplankton wird mit hoher Effizienz ausgefiltert und dient als Nahrung. Gleichzeitig enthalten einige Schwammspezies eine sehr hohe Anzahl phylogenetisch diverser Bakterien extrazellulär in der Mesohylmatrix, die bis zu 40% der Gesamtbiomasse ausmachen. Die als Symbionten bezeichnete Bakteriengemeinschaft weist eine hochgradig spezifische phylogenetische Zusammensetzung auf, die bei unterschiedlichen Schwammspezies, jedoch nicht im Seewasser oder Sediment, gefunden wird. Im Rahmen dieser Dissertationsarbeit wurden unterschiedliche Muster der Bakterien-haltigkeit mariner Schwämme durch Elektronenmikroskopie beschrieben. Die Gruppe der bakterienhaltigen Schwämme wies eine hohe Anzahl von Mikroben im Mesohyl auf. Aufgrund der bakteriellen Verteilung wurde zwischen stark und intermediär bakterienhaltigen Spezies unterschieden. Stark bakterienhaltige Schwämme zeigten eine gleichmäßig dichte Verteilung der Mikroben im Mesohyl, die Bakterienkonzentrationen lagen bei 109 - 1010 Zel-len g-1 Schwamm. Intermediär bakterienhaltige Schwämme enthielten lokale Anhäufungen von Mikroben, die in allen Stellen des Tieres gefunden wurden. Die Zellzahlen lagen bei 108 – 109 Bakterien g-1 Schwamm. Die Gruppe der bakterienarmen Schwämme wurde durch ein mikroskopisch bakterienfreies Mesohyl charakterisiert, die Bakterienkonzentrationen betrugen ~106 Zellen g-1 Schwamm und waren damit vergleichbar zu natürlichem Seewasser. In Korrelation zum Bakteriengehalt wurden anatomische Unterschiede des Gewebes beider Schwammgruppen beobachtet. Die bakterielle Aufnahme von Schwämmen wurde an einzelnen Individuen in Filtra-tionsexperimenten untersucht. Es wurde die Aufnahme des „Futterbakteriums“ Vibrio sp. SB177 und des schwammspezifischen Symbiontenkonsortiums gemessen. Die bakterien-haltigen Schwämme Aplysina aerophoba und Chondrosia reniformis wiesen im Vergleich zu „Futterbakterien“ eine sehr stark verminderte Aufnahme gegenüber ihren eigenen Symbionten auf, bei A. aerophoba sank die Filtrationsrate von rn = 2,76 x 106 auf 5,47 x 104 Bakterien g-1 Schwamm h-1. Die bakterienarmen Schwämme Dysidea avara und Tethya aurantium zeigten eine effiziente und undifferenzierte Aufnahme gegenüber allen Mikroben. Das nur bei bak-terienhaltigen Schwämmen gefundene Muster der stark verminderten Aufnahme von Symbi-onten ist statistisch signifikant. Untersuchungen zum Einfluss abdaubarer bakterieller Zell-wandproteine und der bakteriellen Flagelle erbrachten keine Hinweise auf eine Beteiligung dieser Faktoren am bakteriellen Filtrationsprozess der Schwämme. Zur Untersuchung einer möglichen Filtrationsselektivität gegenüber bestimmten bak-teriellen Vertretern des Seewasser- und des Symbiontenkonsortiums wurden Filtrationsexperi-mente durchgeführt. Proben des Inkubationswassers wurde während des Experiments entnom-men und die phylogenetische Zusammensetzung der Konsortien mittels Denaturierender Gradienten Gel Elektrophorese (DGGE) untersucht. Die Banden wurden anhand der Stärke über den zeitlichen Verlauf klassifiziert. Von den anfänglich 40 nachweisbaren Banden des Seewasserkonsortiums wurden nach 300 Minuten experimenteller Dauer eine als konstant, 18 als reduziert und 21 als verschwindend eingeordnet. Für das Symbiontenkonsortium wurden von den initial 65 Banden nach 300 Minuten 30 Banden als konstant, 19 als reduziert und 16 als verschwindend klassifiziert. Während für das Seewasserkonsortium eine Aufnahme fast aller bakterieller Phylotypen überwog, unterlagen nur wenige Phylotypen des Symbionten-konsortiums einer starken Aufnahme. Durch Sequenzierung und phylogenetische Zuordnung repräsentativer Banden wurde gezeigt, dass für die bakterielle Aufnahme keine Selektivität gegenüber einer bestimmten phylogenetischen Abstammungslinie besteht. So wurden z. B. Phylotypen der Chloroflexi als konstant, reduziert, als auch verschwindend beurteilt. Die interne Prozessierung und der Transport aufgenommener Partikel und Bakterien im Mesohyl wurde mikroskopisch untersucht. A. aerophoba transportierte große Aggregate aufgenommener Latex Beads in speziellen Schwammzellgruppen durch das Mesohyl. Es konnte keine Abgabe der Beads in die extrazelluläre Matrix (ECM) beobachtet werden. D. avara transportierte einzelne Beads durch das Mesohyl, nach 300 Minuten wurden zahlreiche Beads in der ECM gefunden. Die bakterielle Aufnahme wurde an dem GFP-exprimierenden „Futterbakterium“ Vibrio sp. MMW1 visualisiert. Die Bakterien wurden mit hoher Effizienz von A. aerophoba aufgenommen, konnten jedoch nicht in tieferen Mesohylbereichen nach-gewiesen werden, was auf eine zügige Lyse der Zellen hindeutete. Fluoreszenzmarkierte Symbiontenzellen wurden nicht von A. aerophoba aber, in Übereinstimung mit den Filtrationsexperimenten, von dem bakterienarmen D. avara aufgenommen. Die Ergebnisse belegen, dass bakerienhaltige Schwämme über einen komplexen Mechanismus der bakteriellen Aufnahme verfügen, durch den zwischen Futterbakterien und Symbionten unterschieden wird. Schwämme stellen deshalb ein interessantes Modellsystem zur Untersuchung von Mechanismen der generellen Phagozytose und der gleichzeitigen Tolerierung von symbiontischen Bakterienzellen im Gewebe dar.show moreshow less
  • Marine sponges (Porifera) are probably the oldest metazoans on earth. Whereas they are abundant in all seas, they contribute significantly to the marine invertebrate fauna. As filter feeders, sponges process enormous volumes of water, ranging up to 23,000 l seawater Kg-1 sponge day-1. During the passage through the animal’s body, the bacterioplankton is retained. Despite the fact that sponges feed on these bacteria, some species harbour large amounts of bacteria intercellularly within the mesohyl matrix that amount to up to 40 % of the spongeMarine sponges (Porifera) are probably the oldest metazoans on earth. Whereas they are abundant in all seas, they contribute significantly to the marine invertebrate fauna. As filter feeders, sponges process enormous volumes of water, ranging up to 23,000 l seawater Kg-1 sponge day-1. During the passage through the animal’s body, the bacterioplankton is retained. Despite the fact that sponges feed on these bacteria, some species harbour large amounts of bacteria intercellularly within the mesohyl matrix that amount to up to 40 % of the sponge biomass. These bacteria, termed symbionts, make up a highly sponge specific bacterial consortia that is shared by different sponge species, but not found in surrounding seawater or sediments. In this PhD thesis, electron microscopy was conducted to analyse patterns of bacterial content of different sponge species. The group of the bacteriosponges contained high numbers of symbionts. Due to the bacterial distribution in the mesohyl species were differentiated into “high-microbial-abundance sponges” and “intermediate-microbial-abundance sponges”. The former harboured a high number of uniformly distributed cells with bacterial concentrations in the range of 109 - 1010 cells g-1 sponge. “Intermediate-microbial-abundance sponges” showed clusters of symbiont cells that were evenly distributed in the mesohyl, the symbiont concentration amounted to 108 - 109 cells g-1 sponge. The group of the “low-microbial-abundance sponges” were characterized by a mesohyl essentially free of bacterial cells. The quantification of microorganisms gave concentrations of about ~106 cells g-1 sponge, equivalent to the concentration of natural seawater. Observed differences of tissue anatomy correlated with the microbial content of various species. The bacterial retention of sponge individuals was tested for the food bacterium Vibrio sp. SB177 and sponge symbiont consortia. The bacteriosponges Aplysina aerophoba and Chondrosia reniformis showed a strongly reduced uptake for the sponge symbiont consortia compared to food bacteria, for A. aerophoba the retention rates dropped from rn = 2,76 x 106 to 5,47 x 104 bacteria g-1 sponge h-1. The “low-microbial-abundance sponges” Dysidea avara and Tethya aurantium exhibited an efficient and unselective uptake of all tested bacteria. The pattern of strongly reduced uptake of symbionts by their own hosts is statistically significant. Investigations concerning the influence of bacterial cell wall structures like the flagella or enzymatically degradable cell wall proteins showed no effect. To investigate the filtration selectivity against certain bacterial lineages of the seawater and symbiont consortia, filtration experiments were undertaken. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) was used to monitor the composition of bacterial consortia in the incubation water during the experiments. Bands were classified according to their intensity over time. For the seawater consortia, initially 40 bands were detected and after 300 minutes, one band was classified as constant, 18 as reduced and 21 as disappearing. The symbiont consortia was initially made up of 65 bands and after 300 minutes 30 bands were assessed as constant, 19 as reduced and 16 as disappearing. Whereas for the seawater consortia the majority of phylotypes was taken up, only a small number of symbiont phylotypes disappeared. By sequencing and taxonomic affiliation of representative bands, it was concluded that filtration selectivity against certain phylogenetic lineages was not apparent. For example, phylotypes affiliated to the Chloroflexi, were judged as constant, as well as intermediate and reduced. Internal processing and transport of ingested particles was microscopically investigated using latex beads. A. aerophoba transported large aggregates of beads through the mesohyl, with the beads carried by special groups of sponge cells. A disposal of beads into the extracellular matrix was not observed. In contrast, D. avara conveyed single beads through the mesohyl and after 300 minutes a release into the extracellular matrix was evident. The uptake of bacteria was investigated using the GFP-expressing food bacterium Vibrio sp. MMW1. In A. aerophoba fluorescent cells were observed in the tissue adjacent to the water system but failed to be detected in deeper mesohyl regions, indicating a fast digestion of bacterial cells. Fluorescently labeled symbionts were not taken up by A. aerophoba but were detected numerously in the mesohyl of the “low-microbial-abundance sponge” D. avara, consistent with the filtration experiments. The overall results of this PhD thesis point out that bacteriosponges possess a complex mechanism of bacterial uptake that accounts for the differentiation between food bacteria and the symbiont consortia. Hence, bacteriosponges are an interesting model system to investigate the mechanisms of general phagocytosis and simultaneous toleration of intercellular symbiotic bacteria.show moreshow less

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Metadaten
Author: Markus Wehrl
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-21660
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Medizinische Fakultät / Institut für Molekulare Infektionsbiologie
Date of final exam:2006/11/23
Language:German
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Meeresschwämme; Symbiose; Bakterien
Tag:Bakterien; Selektivität; Symbiose; bakterielle Aufnahme; marine Schwämme
bacteria; bacterial uptake; marine sponges; selectivity; symbiosis
Release Date:2007/02/12
Advisor:PD Dr. Ute Hentschel